DE102004021965B4

DE102004021965B4 - Verfahren zur Erstellung von tomographischen Aufnahmen eines schlagenden Herzens

Info

Publication number: DE102004021965B4
Application number: DE102004021965A
Authority: DE
Inventors: Herbert Dr. Bruder; Thomas Dr. Flohr
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2004-05-04
Filing date: 2004-05-04
Publication date: 2009-05-07
Anticipated expiration: 2024-05-05
Also published as: DE102004021965A1; US7286629B2; JP2005319295A; US20050249328A1; CN1692885A

Abstract

Verfahren zur Erstellung von tomographischen Aufnahmen eines schlagenden Herzens eines Patienten mit Hilfe eines Computertomographie-Gerätes (1), wobei:
1.1 zur Abtastung des schlagenden Herzens mindestens ein Fokus mit gegenüberliegendem Detektor, vorzugsweise einem Mehrzeilendetektor, um den Patienten (7) bewegt wird,
1.2 Detektorausgangsdaten des Detektors (3), welche die Schwächung der von dem mindestens einen Fokus ausgehenden Strahlen repräsentieren, zusammen mit mittelbaren oder unmittelbaren räumlichen Orientierungsdaten der Strahlen und,
1.3 EKG-Signale des schlagenden Herzens aufgenommen und gegebenenfalls zeitlich korreliert gespeichert werden, und weiterhin
1.4 zur Rekonstruktion der tomographischen Aufnahmen des Herzens nur Detektordaten verwendet werden, die aus einem ausgewählten Zyklusbereich des Herzzyklus stammen,
dadurch gekennzeichnet, dass
1.5 für mindestens einen Herzzyklus eine automatische und je Zyklus individuelle Auswahl des Zyklusbereichs, aus welchem die Daten zur Rekonstruktion stammen, durch Mustererkennung stattfindet, indem
1.6 vor der Durchführung der automatischen Auswahl des Zyklusbereiches, aus dem Detektordaten zur Rekonstruktion benutzt werden,...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erstellung von tomographischen Aufnahmen eines schlagenden Herzens eines Patienten mit Hilfe eines Computertomographie-Gerätes, wobei zur Abtastung des schlagenden Herzens mindestens ein Fokus mit gegenüberliegendem Detektor, vorzugsweise einem Mehrzeilendetektor, um den Patienten bewegt wird, Detektorausgangsdaten des Detektors, welche die Schwächung der von dem mindestens einen Fokus ausgehenden Strahlen repräsentieren, zusammen mit mittelbaren oder unmittelbaren räumlichen Orientierungsdaten der Strahlen, und EKG-Signale des schlagenden Herzens aufgenommen und gegebenenfalls zeitlich korreliert gespeichert werden, und weiterhin zur Rekonstruktion der tomographischen Aufnahmen des Herzens nur Detektordaten verwendet werden, die aus einem ausgewählten Zyklusbereich des Herzzyklus stammen.
Derartige Verfahren sind allgemein bekannt und werden in der Computertomographie häufig angewendet. Grundsätzlich gibt es bei diesen Verfahren von EKG-gegateten CT-Aufnahmen einerseits die Möglichkeit, den Herzschlag, insbesondere das EKG-Signal, dazu zu verwenden, den tatsächlichen Scan des Herzbereiches nur zu Zeitabschnitten durchzuführen, zu denen im betrachteten Herzen oder Herzbereich möglichst wenig Bewegung vorliegt und alle so gewonnenen Daten zur Rekonstruktion von CT-Schnittbildern zu nutzen. Anderseits wird teilweise auch vorgeschlagen, den Patienten durchgehend zu scannen und im Anschluß an die erfolgte Datensammlung sowohl der Detektordaten als auch des gleichzeitig und korreliert aufgezeichneten EKG's aus dem vorhandenen Datenpool lediglich die Detektordaten auszuwählen, die mit dem Datum bestimmter Zyklusphasen versehen sind, und zur späteren Rekonstruktion von CT-Schnittbildern zu verwenden.
Bei beiden Verfahren werden die betrachteten Zyklusphasen im Stand der Technik ausgewählt, indem Beginn und Ende eines Herzzyklus durch die charakteristische R-Zacke definiert ist und der betrachtete Zyklusbereich anschließend relativ zur R-Zacke in einem absoluten Zeitbereich hierzu oder einem prozentualen Zeitbereich relativ zur Zyklusdauer festgelegt wird.
Eine derartige Vorgehensweise ermöglicht zwar grundsätzlich eine wesentliche Verbesserung von CT-Aufnahmen eines schlagenden Herzens gegenüber normalen, nicht EKG-getriggerten Aufnahmen. Jedoch liegt das Problem der bekannten EKG-Triggerung darin, dass nicht der tatsächliche Bewegungsbeginn der betrachteten Herzregion bestimmt wird und zuverlässig Daten aus dieser Zyklusphase zur Bilderzeugung erschlossen werden, sondern sich die bekannten Erkennungsverfahren lediglich an den R-Zacken des EKG orientieren, welche jedoch nicht originär den Beginn der jeweils betrachteten Zyklusphase darstellen. Will man beispielsweise das rechte Koronargefäß scharf darstellen, muss man berücksichtigen, dass dessen Bewegung mitunter von der Bewegung der Herzvorhöfe beeinflusst ist.
Auch ist aus der US-Patentanmeldung 2004/0019275 A1 bekannt, individuell je Herzzyklus den günstigsten Phasenbereich zur Datensammlung zu bestimmen und es wird vorgeschlagen neben der R-Peak-Information und der Herzfrequenz des Patienten zusätzliche statistische Informationen bezüglich der Formen und Intervalle der EKG-Kontur einzusetzen. Jedoch verwendet das dort beschriebene Verfahren ausschließlich statistische Daten und berücksichtigt, mit Ausnahme der Herzfrequenz, nicht die individuellen Eigenheiten durch den jeweils aktuellen Patienten.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zur Erstellung von tomographischen Aufnahmen eines schlagenden Herzens zu finden, welches die jeweils betrachtete Herzphase besser definiert.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausbildungen des Verfahrens sind in den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung dargestellt.
Die Erfinder haben erkannt, dass eine Verbesserung von EKG-getriggerten Cardioaufnahmen möglich ist, wenn anstelle des bisher verwendeten starren Zeitschlitzverfahrens, das sich an der Position der R-Zacken orientiert, oder der Verwendung sonstiger statistischer Auswertungen über eine Vielzahl von Patienteninformationen, eine automatische Erkennung eines signifikanten EKG-Signalverlaufs einzelner Herzphasen Herzphasen auf der Basis eines manuell bestimmten Phasenabschnittes des aktuellen EKG's erfolgt.
Bisher wurde davon ausgegangen, dass sich der gesuchte beziehungsweise betrachtete Bereich des Herzzyklus in einem absolut oder prozentual definierten Zeitabschnitt des Herzzyklus relativ zur R-Zacke befindet, wobei gegebenenfalls durch statistische Erhebungen auch der Einfluss des Geschlechts, des Alters, der medizinischen Umstände oder der Patientenhistorie berücksichtigt wurden. Patientenindividuelle Einflüsse oder Einflüsse durch Eigenarten der aktuellen Messung, zum Beispiel der Positionierung der Elektroden am Patienten wurden nicht berücksichtigt.
Nun wird je Zyklus eine automatische und individuelle Auswahl des Zyklusbereiches vorgenommen, indem aus dem aktuellen EKG des Patienten manuell ein aktueller P-Wellen-Verlauf markiert und jeder Herzzyklus mit seinem EKG-Signalverlauf bezüglich dieser manuell ausgewählten EKG-Kontur durchsucht und der wahrscheinlichste Zeitpunkt des nochmaligen Vorkommens dieser Kontur durch Mustererkennung bestimmt wird, um individuell je Zyklus den gewünschten Zyklusbereich, in dem die Detektorausgangsdaten zur Rekonstruktion von Schnittbildern verwendet werden, zu lokalisieren. Bezüglich der Art der Mustererken nung ist wesentlich, dass diese zumindest halbautomatisch, rechnergestützt abläuft, so dass nicht jeder einzelne Herzzyklus manuell ausgewertet werden muss. Beispielsweise kann die typische Signatur einer P-Welle mit dem tatsächlichen Verlauf des EKG-Signals verglichen werden und die zeitliche Position der besten Übereinstimmung ermittelt werden. Ist diese bestimmt, lässt sich der Beginn der Vorhoferregung sehr genau definieren und es können nur Detektordaten zur Rekonstruktion verwendet werden, die im Zyklus zeitlich vor dieser Phase liegen.
Zur Unterstützung der manuellen Auswahl können im Sinne der Erfindung zur Bestimmung eines für die CT-Auswertung heranzuziehenden Zyklusbereichs bereits bekannte EKG-Analyseverfahren, wie sie in der Regel bei automatischen Auswertungen von EKG's vorliegen, verwendet werden.
Entsprechend diesem Grundgedanken schlagen die Erfinder vor, das an sich bekannte Verfahren zur Erstellung von tomographischen Aufnahmen eines schlagenden Herzens eines Patienten mit Hilfe eines Computertomographie-Gerätes zu verbessern, wobei zur Abtastung des schlagenden Herzens mindestens ein Fokus mit gegenüberliegendem Detektor, vorzugsweise einem Mehrzeilendetektor, um den Patienten bewegt wird, Detektorausgangsdaten des Detektors, welche die Schwächung der von dem mindestens einen Fokus ausgehenden Strahlen repräsentieren, zusammen mit mittelbaren oder unmittelbaren räumlichen Orientierungsdaten der Strahlen, und EKG-Signale des schlagenden Herzens aufgenommen und gegebenenfalls zeitlich korreliert gespeichert werden, und weiterhin zur Rekonstruktion der tomographischen Aufnahmen des Herzens nur Detektordaten verwendet werden, die aus einem ausgewählten Zyklusbereich des Herzzyklus stammen, wobei für mindestens einen Herzzyklus eine automatische und je Zyklus individuelle Auswahl des Zyklusbereichs, aus welchem die Daten zur Rekonstruktion stammen, durch Mustererkennung stattfindet. Die erfindungsgemäße Verbesserung dieses bekannten Verfahrens liegt darin, dass vor der Durchführung der automatischen Auswahl des Zyklusbereiches, aus dem Detektordaten zur Rekonstruktion benutzt werden, ein typischer Signalverlauf des aktuellen EKG's in diesem oder einem angrenzenden Bereich manuell bestimmt wird und anschließend eine automatische Wiedererkennung dieses typischen Verlaufs in mindestens einem Herzzyklus stattfindet, an dem sich die Bestimmung des gewünschten Bereiches zur Rekonstruktion orientiert.
Eine derartige individuelle Betrachtung jedes einzelnen Herzzyklus und die daraus resultierende, wesentlich genauere Bestimmung des nutzbaren Zyklusbereichs zur Rekonstruktion von computertomographischen Aufnahmen, führt vorteilhaft dazu, dass die gewonnenen CT-Aufnahmen über weniger Artefakte und Unschärfe verfügen, als es im Stand der Technik bekannt ist.
Die manuelle Auswahl des zu betrachtenden Zyklusbereiches in einem Referenzzyklus kann durch visuelle Erkennung des entsprechenden Zyklusbereichs auf einem Bildschirm oder einem sonstigen geeigneten Anzeigegerät geschehen. Dabei sollte die Auswahl dieses typischen Signalverlaufs aus dem gleichen EKG und der gleichen Messung an einem Patienten vorgenommen werden, in dem anschließend die automatische Bestimmung des Bereiches in weiteren Zyklen stattfindet, da sich hierdurch eventuelle Veränderungen durch unterschiedliche Positionierung von Elektroden oder sonstige messtechnische Differenzen vermeiden lassen.
Besonders günstig ist es, bei dem erfindungsgemäßen Verfahren, als typischen Signalverlauf den Verlauf einer P-Welle zu verwenden, da der Beginn der P-Welle den Beginn der Erregung der Vorhöhe darstellt, so dass damit der Beginn eines erkannten typischen Bereiches gleichzeitig als zeitliches Ende eines zeitlichen Scanbereiches in einem Zyklus definiert werden kann.
Beispielsweise kann das erfindungsgemäße Verfahren in den folgenden Schritten durchgeführt werden:

– es wird in einem visuell dargestellten EKG manuell in einem Zyklus ein Zeitsektor markiert und der darin befindliche Verlauf des EKG als typischer Signalverlauf S_P einer P-Welle (= Template) angenommen;
– anschließend wird automatisch der typische Signalverlauf S_P mit dem tatsächlichen Signalverlauf E_P weiterer Zyklen des EKG's durch sukzessiv zeitlich versetzte Faltung verglichen, vorzugsweise durch Berechnung von
mit dem Normierungsfaktor N, für den gilt:
mit den Variablen für den Start tt_S und das Ende des Zyklusintervalls tt_e in dem das zu bestimmende Muster vermutet wird, der Integrationsvariablen τ im betrachteten Zeitintervall, der Zeit t und p_l dem betrachteten Zyklus;
– im zeitlichen Verlauf der Faltungsfunktion, vorzugsweise der normierten Faltungsfunktion P_l(t), je Zyklus ein größtes Maximum bestimmt, wobei daraus die tatsächliche Lage der P-Welle je Zyklus und damit das zeitliche Ende der Ruhephase des Vorhofs des Herzens je Zyklus bestimmt ist, wobei
– zur Rekonstruktion von CT-Bilddaten ausschließlich Daten eines Zyklus vor dem so bestimmten Ende der Ruhephase verwertet werden.

Es wird darauf hingewiesen, dass in dem oben genannten Beispiel eine Normierung der Faltungsfunktion P_l(t) grundsätzlich vorteilhaft, jedoch nicht unbedingt notwendig im Sinne der Erfindung ist. Wird eine derartige Normierung durchgeführt, so lässt sich auf besonders einfache Weise eine Mindestgröße der Faltungsfunktion angeben, die erreicht werden muss, um vertrauensvoll tatsächlich einen dem typischen Signalverlauf identischen Signalverlauf im Signalverlauf des betrachteten Herzzyklus gefunden zu haben. Es kann also ein Schwellwert angegeben oder definiert werden, der falls er beim Vergleich des typischen Signalverlaufs und des aktuellen Signalverlaufs des EKG's nicht erreicht wird zu einem anderen Erkennungsverfahren überleitet oder gegebenenfalls diesen Zyklus bei ausreichender Redundanz für die Rekonstruktion aufspart.
Bezüglich verwendbarer Mustererkennungsverfahren für das erfindungsgemäße Verfahren wird beispielsweise auf das Prinzip der Wavelet-Transformation verwiesen, wie sie grundsätzlich bei EKG-Analsysealgorithmen bekannt sind. Allerdings besteht auch die Möglichkeit die vorgegebene Kontur durch die Anwendung eines neuronalen Netzwerkes im jeweiligen Herzzyklus wieder zu finden.
Selbstverständlich erstreckt sich die Erfindung nicht nur auf das erfindungsgemäße Verfahren, sondern auch auf die Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens in einem Computertomographen, wobei das erfindungsgemäße Verfahren vorzugsweise durch entsprechende Programme oder Programm-Module verwirklicht werden kann.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispieles mit Hilfe der Figuren näher beschrieben, wobei in den Figuren folgende Abkürzungen verwendet werden: 1: Computertomographiegerät; 2 Röntgenröhre; 3: Detektor; 4: System- oder z-Achse; 5: Gehäuse; 6: Patientenliege; 7: Patient; 8: Messleitung; 9: Recheneinheit; 9.1: Bildschirm; 9.2: Eingabeeinheit; 10: Daten- und Steuerleitung; 11: P-Welle; 12: Q-Zacke; 13: R-Zacke; 14: S-Zacke; 15: QRS-Komplex; 16: T-Welle; 17: U-Welle; 18: PQ-Zeit; 19: ST-Strecke; 20: QT-Dauer; 21: Abstand; 22: EKG-Signalverlauf; 23: Bereich tatsächlicher Signalverlauf; 24: Bereich typische Signalverlauf; 25: Graph; 26: Maximum; P_l – P_n, Programme; T_RR: Herzfrequenz; τ: Zeit in Zeitintervalle; τ_max Zeitpunkt der maximalen Deckung.
Es zeigen im Einzelnen:
1 Darstellung eines CT's zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens;
2 Idealisierter Signalverlauf eines typischen EKG's;
3 Schematische Darstellung einer automatisierten Mustererkennung einer P-Welle in einem EKG;
4 Zeitlicher Verlauf einer Faltungsfunktion beim Mustervergleich.
Die 1 zeigt eine 3-D-Darstellung eines Computertomographiegerätes 1 mit einer Röntgenröhre 2 und einem gegenüberliegenden Detektor 3, welche auf einem nicht sichtbaren Drehrahmen befestigt und um eine Systemachse oder z-Achse 4 rotierbar ausgeführt sind. Der Patient 7 befindet sich auf einer entlang der z-Achse 4 verschiebbaren Patientenliege 6 und wird, während die Röntgenröhre 2 und der Detektor 3 um die Systemachse 4 rotiert, entlang dieser Systemachse 4 durch eine Öffnung im Gehäuse 5 des Computertomographen geschoben, so dass sich die Röntgenröhre 2 und der Detektor 3 relativ zum Patienten auf einer Spiralbahn um diesen Patienten bewegen und dabei eine Abtastung erfolgt.
Grundsätzlich ist zu bemerken, dass auch andere Varianten der Abtastung möglich sind. So kann beispielsweise eine sequentielle Abtastung erfolgen, indem die Röntgenröhre 2 und der Detektor 3 kreisförmig um den Patienten 7 bewegt werden und nach einer vollständigen kreisförmigen Abtastung ein diskreter Vorschub des Patienten entlang der Systemachse 4 erfolgt und danach wiederum eine kreisförmige Abtastung durchgeführt wird, bis der Patient oder zumindest der betrachtete Untersuchungsbereich vollständig abgetastet ist. Wird ein Detektor mit einer großen Anzahl von Detektorzeilen, also mit einer großen Ausdehnung in Richtung der z-Achse verwendet, so kann gegebenenfalls auch zumindest der hier besonders betrachtete Herzbereich mit einer einzigen Rotation des Detektors vollständig abgetastet werden. Alle beschriebenen Varianten mit spiralförmiger oder sequentieller Kreisabtastung und Einzeilen- bis zu Vielzeilendetektoren können in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendet werden.
Zusätzlich zur Abtastung des Patienten mit Röntgenstrahlen wird die Herzaktivität des Patienten durch nicht einzeln dargestellte Elektroden und eine Messleitung 8 in einem EKG aufgenommen. Dieses EKG befindet sich im vorliegenden Beispiel in einer Recheneinheit 9, welche gleichzeitig auch den Computertomographen steuert. Neben der Steuerung des Computertomographen und der Aufnahme eines EKG's dient die Recheneinheit 9 auch zur Auswertung und gegebenenfalls Speicherung der Detektorausgangsdaten, die über eine Daten- und Steuerleitung 10 erfolgt. Die Recheneinheit 9 kann außerdem zur Durchführung der Rekonstruktion der tomographischen Schnittbilder verwendet werden. Hierzu dienen die schematisch dargestellten Programme P_l bis P_n, wobei die Ergebnisse auf dem in der Recheneinheit 9 integrierten Bildschirm 9.1 dargestellt werden können. Zur Eingabe von Daten zur Bedienung des Computertomographen kann die Eingabeeinheit 9.2, beispielsweise in Form einer Tastatur und/oder einer hier nicht explizit dargestellten Mouse, dienen.
Zum besseren Verständnis der Erfindung ist in der 2 ein typischer und idealisiertes EKG dargestellt. Hier ist auf der Abzisse die Zeit t in Sekunden und auf der Ordinate das detektierte Potential in mV aufgetragen. Ein typisches EKG zeichnet sich durch einen charakteristischen Signalverlauf der Spannungshöhen und -tiefen über die Zeit aus und gibt Aufschluss über die Reizleitungs-, Erregungs- und Bewegungssituation des Herzens. Nachfolgend werden die typischen Signalkonturen anhand der Bezugszeichen beschrieben.
11 bezeichnet die P-Welle. Die P-Welle ist charakteristischerweise die erste kleine, positive, halbrunde Welle nach der Null-Linie. Sie stellt die Erregung der Vorhöfe dar. 12 bezeichnet die Q-Zacke. Die Q-Zacke ist im allgemeinen klein, das heißt weder breit noch tief, und stellt die erste negative Zacke nach der P-Welle und dem Ende der PQ-Zeit dar. Die Q-Zacke bezeichnet den Beginn der Kammererregung.
13 bezeichnet die R-Zacke. Die R-Zacke ist immer schmal und hoch. Sie ist die erste positive Zacke nach der Q-Zacke beziehungsweise die erste positive Zacke nach der P-Welle, wenn die Q-Zacke fehlen sollte. Die R-Zacke ist Ausdruck der Kammererregung.
14 bezeichnet die S-Zacke. Die S-Zacke ist gewöhnlich, ähnlich der Q-Zacke, klein. Sie ist die erste negative Zacke nach der R-Zacke und gehört ebenfalls zur Kammererregung. 15 bezeichnet den QRS-Komplex. Der QRS-Komplex bezeichnet die Erregungsausbreitung, das heißt Depolarisation, der Kammern. Parallel zu der Depolarisation der Kammern beginnt die Repolarisation der Vorhöfe, dieser Spannungsimpuls verschwindet jedoch im QRS-Komplex.
16 bezeichnet die T-Welle. Die T-Welle ist relativ breit, groß und halbrund und stellt den ersten positiven Ausschlag nach dem QRS-Komplex dar. Sie entspricht der Erregungsrückbildung, das heißt Repolarisation, der Kammern. Nach dem Ende einer T-Welle ist eine elektrische Herzaktion beendet. Nach einer bestimmten Pause entsteht dann der nächste Zyklus. Je größer die Herzfrequenz ist, desto kürzer ist dieser Abstand. 17 bezeichnet die U-Welle. Die U-Welle ist eine sehr klein, positive, halbrunde Zacke gleich nach der T-Zacke und nicht immer sichtbar. Sie entspricht Nachschwankungen der Kammererregungsrückbildung. Neben den einzelnen Zacken im EKG sind für eine Interpretation noch die Zeiten zwischen den Zacken von Bedeutung.
18 bezeichnet die PQ-Zeit. Die PQ-Zeit (Strecke) reicht vom Beginn der P-Zacke bis zum Beginn der Q- beziehungsweise R-Zacke (beim Fehlen der R-Zacke). Sie stellt die aktrioventrikuläre Überleitungszeit, das heißt die Erregungsüberleitungszeit von den Vorhöfen auf die Kammer dar.
19 bezeichnet die ST-Strecke. Die ST-Zeit (Strecke) reicht vom Ende der S- oder R-Zacke (beim Fehlen der S-Zacke) bis zum Beginn der T-Welle. Sie zeigt den Beginn der Erregungsrückbildung der Kammern an.
20 bezeichnet die QT-Dauer. Die QT-Zeit (Strecke) umfasst den QRS-Komplex, die ST-Strecke und die T-Welle. Die Zeit vom Be ginn der Erregungsausbreitung bis zum Ende der Erregungsrückbildung der Kammer entspricht der elektrischen Kammersystole.
Die Herzfrequenz T_RR wird durch den Abstand 21 zwischen zwei R-Zacken 13 im EKG bestimmt.
Alle dargestellten Einzelabschnitte des EKG's können in ihrer zeitlichen Lage durch einen Vergleich eines typischen Spannungsverlaufs über die Zeitachse, also einer typischen Kontur, mit dem tatsächlichen EKG-Verlauf bestimmt werden. Es ist allerdings zu beachten, dass sich bei krankhaften Veränderungen auch in der Kontur des EKG-Signals Veränderungen ergeben, die entsprechend berücksichtigt werden müssen. Besonders hier ist es vorteilhaft, nicht einen allgemeinen Standard als Signalverlauf für die betrachtete Zyklusphase heranzuziehen, sondern ein möglichst typisches Beispiel aus dem EKG-Signal des untersuchten Patienten, möglichst aus dem selben EKG heranzuziehen, da hierdurch nicht nur Unterschiede im Bezug auf die besondere Reizleitungssituation des betrachteten Herzens berücksichtigt werden, sondern auch mögliche Unterschiede in der Anbringung der Elektroden am Patienten einfließen.
Im Gegensatz zu dem Signalverlauf der 2, der eine idealisierte Situation eines EKG's darstellt, ist in der 3 ein Beispiel eines tatsächlichen EKG-Signalverlaufs 22 eines Patienten, wie er zur Triggerung eines Cardio-CT's verwendet wird, dargestellt. Der Signalverlauf zeigt vier R-Zacken und entsprechend drei vollständige Perioden oder Herzzyklen des untersuchten Herzens. Vor den vier R-Zacken 13 sind jeweils Bereiche 23 schraffiert unterlegt, in welchen allein aufgrund der zeitlichen Betrachtung des EKG-Signals und des Abstands von der darauf folgenden oder vorhergehenden R-Zacke angenommen werden kann, dass sich dort eine P-Welle befindet. Im Bereich 24 ist eine typische P-Welle des entsprechenden Patienten dargestellt, die aus einem davor liegenden Zyklus stammt und vom Bedienpersonal als typische P-Welle ausgewählt wurde und nun zur genauen Lagebestimmung der P-Welle im jeweils aktuellen Herzzyklus verwendet wird. Hierzu wird der typische Signalverlauf 24 über den Bereich 23 zeitlich verschoben und die einzelnen Signalwerte des tatsächlichen Signalverlaufs und des typischen Signalverlaufs miteinander multipliziert, wobei zu jedem Zeitpunkt τ der Verschiebung des typischen Signalverlaufs gegenüber dem aktuellen Signalverlauf die Summe der Multiplikationswerte der beiden Signale berechnet wird.
Die 4 zeigt den Verlauf einer solchen Faltungsfunktion P_l(t), aufgetragen über die jeweilige zeitliche Verschiebung τ zwischen dem typischen Signalverlauf und dem aktuellen Signal. Am Graph 25, der den Wert dieser Faltungsfunktion P_l(t) in Abhängigkeit von τ darstellt, ist zu erkennen, dass dieser ein Maximum erreicht, sobald der typische Signalverlauf 24 weitgehend deckungsgleich mit dem tatsächlichen Signalverlauf 23 der P-Welle ist. Da die Faltungsfunktion P_l(t) normiert ist, erreicht sie den Wert 1, wenn eine vollständige Deckungsgleichheit beider Signalverläufe erreicht ist. Das angezeigte Maximum 26 gibt den Zeitpunkt τ_max wieder, zu dem eine optimale Deckung beider Signalverläufe gegeben ist und bestimmt dadurch die tatsächliche Lage des gesuchten typischen Signalverlaufs, hier den einer P-Welle, in einem betrachteten Herzzyklus. Aufgrund dieses Zeitpunktes τ_max lässt sich nun die genaue Lage der P-Welle oder einer sonstigen typischen Signatur im Herzzyklus angeben, so dass hieran in sehr differenzierter Weise bestimmt werden kann, zu welchem Zeitpunkt beziehungsweise in welchem Zyklusbereich die gewonnenen CT-Daten für die Rekonstruktion verwendet werden können.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten Merkmale der Erfindung nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Insgesamt beschreibt die Erfindung also ein Verfahren zur Erstellung von tomographischen Aufnahmen eines schlagenden Herzens eines Patienten mit Hilfe eines Computertomographie-Gerätes, bei dem EKG-Signale des schlagenden Herzens aufgenommen und zur Rekonstruktion der tomographischen Aufnahmen des Herzens nur Detektordaten verwendet werden, die aus einem ausgewählten Zyklusbereich des Herzzyklus stammen, wobei für mindestens einen Herzzyklus eine automatische und je Zyklus individuelle Auswahl des Zyklusbereichs, aus welchem die Daten zur Rekonstruktion stammen, durch Mustererkennung stattfindet. Es wird mit der Erfindung also durch den Vergleich eines typischen EKG-Musters einer Herzphase mit dem aktuellen EKG eines Patienten beim CT-Scan die zeitliche Bestimmung einer vorgegebenen Herzphase wesentlich gegenüber dem Stand der Technik verbessert und damit auch eine Verbesserung der EKG-getriggerten Rekonstruktion von CT-Aufnahmen erreicht.

Claims

Verfahren zur Erstellung von tomographischen Aufnahmen eines schlagenden Herzens eines Patienten mit Hilfe eines Computertomographie-Gerätes (1), wobei: 1.1 zur Abtastung des schlagenden Herzens mindestens ein Fokus mit gegenüberliegendem Detektor, vorzugsweise einem Mehrzeilendetektor, um den Patienten (7) bewegt wird, 1.2 Detektorausgangsdaten des Detektors (3), welche die Schwächung der von dem mindestens einen Fokus ausgehenden Strahlen repräsentieren, zusammen mit mittelbaren oder unmittelbaren räumlichen Orientierungsdaten der Strahlen und, 1.3 EKG-Signale des schlagenden Herzens aufgenommen und gegebenenfalls zeitlich korreliert gespeichert werden, und weiterhin 1.4 zur Rekonstruktion der tomographischen Aufnahmen des Herzens nur Detektordaten verwendet werden, die aus einem ausgewählten Zyklusbereich des Herzzyklus stammen, dadurch gekennzeichnet, dass 1.5 für mindestens einen Herzzyklus eine automatische und je Zyklus individuelle Auswahl des Zyklusbereichs, aus welchem die Daten zur Rekonstruktion stammen, durch Mustererkennung stattfindet, indem 1.6 vor der Durchführung der automatischen Auswahl des Zyklusbereiches, aus dem Detektordaten zur Rekonstruktion benutzt werden, ein typischer Signalverlauf (24) des aktuellen EKG (22) in diesem oder einem angrenzenden Bereich bestimmt wird und anschließend eine automatische Wiedererkennung dieses typischen Signalverlaufs (23), an dem sich die Bestimmung des gewünschten Bereiches zur Rekonstruktion orientiert, in mindestens einem Herzzyklus stattfindet.
Verfahren gemäß dem voranstehenden Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als typischer Signalverlauf (24) der Verlauf einer P-Welle (11) verwendet wird.
Verfahren gemäß dem voranstehenden Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die folgenden Schritte durchgeführt werden: – es wird in einem visuell dargestellten EKG manuell in einem Zyklus ein Zeitsektor markiert und der darin befindliche Verlauf des EKG (24) als typischer Signalverlauf einer P-Welle (Template S_P) angenommen; – anschließend wird automatisch der typische Signalverlauf S_P (24) mit dem Signalverlauf E_p (23) weiterer Zyklen des EKG durch eine Faltungsfunktion P_l(t), die einer sukzessiv zeitlich versetzten Faltung entspricht, verglichen; – im zeitlichen Verlauf der Faltungsfunktion P_l(t) (25) wird je Zyklus ein größtes Maximum (26) bestimmt, wobei daraus die tatsächliche Lage (τ_max) der P-Welle je Zyklus und damit das zeitliche Ende der Ruhephase des Vorhofs des Herzens je Zyklus bestimmt ist.
Verfahren gemäß dem der voranstehenden Patentanspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die sukzessiv zeitlich versetzte Faltung durch Berechnung von
erfolgt, mit:
und dem Start tt_S und Ende tt_e eines Zyklusintervalls, in dem das zu bestimmende Muster vermutet wird, der Integrationsvariablen τ im betrachteten Zeitintervall, der Zeit t und p_l dem betrachteten Zyklus.
Verfahren gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 3 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Faltungsfunktion P_l(t) normiert ist.
Verfahren gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 2 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Zyklusbereich, dessen Daten zur Rekonstruktion verwendet werden, vor dem erkannten Bereich der P-Welle (11) liegt.
Verfahren gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Vergleich der Kontur des Verlaufs des EKG-Signals (22) mit einer vorgegebenen Kontur (24) durch die Anwendung eines neuronalen Netzwerkes stattfindet.
Verfahren gemäß einem der voranstehenden Patentansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass für einen Zyklus, in dem keine P-Wellen-Position (τ_max) durch ein Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 zu bestimmen ist, der betrachtete Zyklusbereich durch bisher im Stand der Technik vorliegende Verfahren bestimmt wird.